FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
TÍTULO:
EFECTO DEL USO DE CENIZA VOLANTE EN EL PROCESO DE AGRIETAMIENTO DEL CONCRETO POR CORROSIÓN DEL ACERO DE
REFUERZO.
POR:
ING. ARMANDO ESCOBAR ROJAS
Como requisito parcial para obtener el Grado de MAESTRO EN CIENCIAS con orientación en
Materiales de Construcción
Director de tesis: Dr. Pedro Leobardo Tamez Valdez.
Co-director de tesis: Dr. Gerardo del Jesús Fajardo San Miguel.
Cd. Universitaria S/N, Apdo. Postal No. 17 San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México, C.P. 66450 Tels y Fax: (81) 8376 3970, 8332 1902 www.ingenieriacivil.uanl.mx
“Educación de calidad, un compromiso social”
UANL
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL SUBDIRECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN
Por este conducto se APRUEBA la tesis “Efecto del uso de ceniza volante en el
proceso de agrietamiento del concreto por corrosión del acero de refuerzo”, que presenta el Ing. Armando Escobar Rojas, como requisito parcial para obtener el grado de Maestro en Ciencias con Orientación en Materiales de Construcción, lo anterior
después de ver leído, evaluado y constatado la calidad y los cambios sugeridos a la tesis.
Se extiende la presente para los fines que al interesado convengan.
ATENTAMENTE
“ALERE FLAMMAM VERITATIS”
Cd. Universitaria, a 14 de marzo de 2012
Dr. Pedro L. Valdez Tamez
Subdirector de Estudios de Posgrado e Investigación
vi
Dedicatoria
A Dios.
Por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis
objetivos, además de su infinita bondad y amor
vii
Agradecimientos
A mis padres, Armando y Leonor
Por su comprensión en todas mis decisiones, por la confianza en mi depositada, quiero que sientan que el objetivo alcanzado también es de ustedes y que la fuerza que me ayudo a conseguirlos fue su gran apoyo.
A mis hermanos, Álvaro y Vladimir
Por el cariño y apoyo que siempre he recibido de ustedes y con el cual he logrado alcanzar este objetivo.
A la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de México, por permitirme estar en sus aulas y otorgarme las herramientas necesarias para superarme profesionalmente.
A mis compañeros M.C. Omar Díaz, M.C. Luis Ángel Wong, M.C. Bonifacio Manríquez, M.C. Alejandro Herrera, M.C. Héctor Campos, M.C. Aldo Campos, M.C. Cristian Fernández, Ing. Eduardo Garza, Ing. Ricardo de León, Ing. Octavio Rivera, Ing. Jonathan del Real, Ing. Ana Yanci Campos, por su apoyo en la elaboración de esta tesis, pero sobre todo por su amistad.
A mis asesores Dr. Pedro Leobardo Valdez Tamez y Dr. Gerardo Fajardo San Miguel por su apoyo, enseñanzas, sus comentarios, sugerencias y correcciones que me permitieron llegar al término de este proyecto.
Al Laboratorio de Investigación de Materiales de construcción del Instituto de Ingeniería Civil de la UANL por su ayuda y apoyo, así como al personal de dicho departamento.
Al Consejo Mexiquense de Ciencia y Tecnología (COMECYT) y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por los apoyos brindados para la elaboración de este proyecto.
Al PAICYT y SEP por los apoyos financieros otorgados a los proyectos GIT006-09 Y PROMEP/103.5/09/1306 y PROMEP/103.5/10/6851.
viii
CONTENIDO
Contenido ... viii
Índice de tablas ... xi
Índice de figuras ... xiii
Resumen ... xiv
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES
Página 1.1 El concreto como material de construcción... 11.2 La durabilidad de las estructuras de concreto reforzado ... 2
1.3 El proceso de deterioro de las estructuras de concreto reforzado ... 3
1.4 Impacto económico ... 5
1.5 El impacto ambiental del concreto ... 7
1.6 El concreto como protector del acero ... 8
1.6.1 Naturaleza alcalina del concreto ... 9
1.7 La corrosión del acero ... 11
1.8 La corrosión en presencia de cloruros ... 12
1.9 El agrietamiento del concreto por efecto de los productos de corrosión del acero de refuerzo ... 14
1.10 Naturaleza porosa del concreto ... 16
1.11 Medidas de protección contra la corrosión del acero de refuerzo ... 17
1.11.1 Uso de la ceniza volante en el concreto ... 22
1.11.2 Beneficios del uso de la ceniza en el concreto ... 25
1.12 Vida útil de las estructuras de concreto reforzado ... 26
CAPÍTULO 2
ANTECEDENTES
Página Antecedentes ... 31ix
Objetivos ... 39
General ... 39
Particulares ... 39
Hipótesis ... 40
CAPÍTULO 3
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
Página 3.1 Descripción de los materiales empleados ... 413.1.1 Materiales cementantes ... 41
3.1.2 Agregados ... 42
3.1.3 Aditivo ... 45
3.1.4 Acero ... 45
3.2 Proporcionamiento de las mezclas ... 45
3.3 Fabricación de especímenes ... 48
3.3.1 Especímenes para corrosión acelerada ... 49
3.3.2 Especímenes para caracterización física y mecánica del concreto ... 51
3.4 Caracterización física y mecánica ... 51
3.4.1 Resistencia a la compresión ... 51
3.4.2 Módulo de elasticidad ... 51
3.4.3 Porosidad abierta al agua ... 52
3.4.4 Resistencia a la penetración del ion cloro ... 54
3.5 Inducción de la corrosión ... 55
3.6 Pruebas semidestructivas... 57
3.6.1 Potencial de media celda ... 59
3.6.2 Resistencia a la polarización lineal, RPL ... 61
3.6.3 Resistividad eléctrica del concreto... 63
3.7 Inspección visual... 67
3.8 Pérdida de masa del acero por el método gravimétrico... 67
x
CAPÍTULO 4
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Página
4.1 Características físicas y químicas de los materiales cementantes ... 70
4.2 Elaboración de mezclas ... 72
4.3 Propiedades mecánicas y físicas ... 73
4.3.1 Resistencia a la compresión ... 73
4.3.2 Módulo de Elasticidad ... 75
4.3.3 Porosidad abierta al agua ... 76
4.3.4 Resistencia a la penetración del ion cloro ... 78
4.4 Caracterización electroquímica ... 80
4.4.1 Potencial de media celda ... 80
4.4.2 Velocidad de corrosión, icorr, determinada mediante RPL ... 86
4.4.3 Resistividad eléctrica del concreto, ρ,obtenida mediante EIE ... 90
4.5 Inspección visual... 94
4.6 Pérdida de masa ... 94
4.6.1 Relación de la pérdida de masa con la resistencia a la compresión ... 97
4.6.2 Relación de la pérdida de masa con la porosidad abierta al agua ... 98
4.6.3 Relación de la pérdida de masa con la resistividad eléctrica ... 100
4.6.4 Análisis estadístico ... 101
4.6.5 Análisis de varianza ... 103
CONCLUSIONES
... 106RECOMENDACIONES
... 109xi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura ... Página
1 Procesos y mecanismos que producen la pérdida de durabilidad del concreto y el acero. [Sánchez de Guzmán, 2006]... 4
2 Diagrama de pH-Potencial a) simplificado del hierro en contacto con agua y b) mostrando regiones termodinámicamente estables del diagrama [Pourbaix, 1987]. ... 10
3 Mecanismo de corrosión por picaduras debido a los cloruros [Castro, et al. 2001] 13
4 Proceso de agrietamiento del recubrimiento por corrosión del acero de refuerzo ... 14
5 Volumen relativo del acero y sus productos de corrosión [Shahzma et al., 2009] .... 15
6 Conformación de la estructura porosa del concreto ... 16
7 Clasificación de los materiales puzolánicos... 20
8 Producción y empleo de cenizas volantes [ECOBA, 2004; ACAA, 2007; CIRCA, 2004] ... 24
9 Modelo de vida útil para estructuras de concreto relacionada con la corrosión del acero de refuerzo [Zhou et al., 2005] ... 27 10 Aporte en el periodo de iniciación producto del uso de materiales cementantes
complementarios ... 29
11 Resistividad eléctrica ρ de morteros por composición [Pacheco et al., 2009] ... 36
12 Distribución granulométrica de los agregados, a) Arena caliza y b) Grava caliza 10 mm ... 42
13 Distribución granulométrica, arena caliza 4B ... 43
14 Distribución granulométrica de los agregados combinados, a) Arena combinada, b) Grava combinada ... 44
15 Características de las mezclas elaboradas ... 47
16 Configuración esquemática de los especímenes para someterlas al proceso de corrosión acelerada ... 48
17 Proceso de acondicionamiento de las varillas, a) Equipo empleado para cortar la varilla, b) Aplicación de primario epóxico, c) Delimitación del área de
exposición y d) Varillas preparadas para el proceso de corrosión acelerada ... 50
18 Moldes empleados para la fabricación de los especímenes para corrosión
xii
19 Dispositivo empleado para obtener el módulo de elasticidad del concreto ... 52
20 Preparación de muestras para obtener la porosidad abierta al agua, a) corte para obtención de muestras, b) determinación del peso seco, c) aplicación de vacío y d) determinación del peso sumergido ... 53
21 Preparación y montaje de las muestras para la prueba rápida de permeabilidad a los iones cloro ... 55
22 Arreglo empleado para el proceso de corrosión acelerada ... 56
23 Circuito empleado para controlar la densidad de corriente aplicada ... 57
24 Espécimen montado en equipo VoltaLab PGZ-301 para la medición de parámetros electroquímicos ... 59
25 Medición del potencial a de media celda ... 60
26 Curva representativa de impedancia para el acero embebido en concreto ... 65
27 Procedimiento de limpieza del acero expuesto. a) Detección primer agrietamiento visible, b) Extracción de varilla, c) , d) Recuperación de zona anódica, e)
limpieza con solución según la norma ASTM G1 03, f) Cepillado de las varillas para la remoción de óxidos y g) Acero expuesto después del proceso de
remoción de óxidos ... 68
28 Distribución de tamaño de partícula de los materiales cementantes ... 70
29 Desarrollo de la resistencia a la compresión de los diferentes concretos en estudio ... 74
30 Desarrollo de la porosidad abierta al agua para los concretos en estudio ... 76
31 Evolución del potencial de media celda de los especímenes con 23 mm de
recubrimiento durante el proceso de corrosión acelerada ... 82
32 Evolución del potencial de media celda de los especímenes con 35 mm de
recubrimiento durante el proceso de corrosión acelerada ... 83
33 Comportamiento del icorr para los especímenes elaborados con 23 mm de
recubrimiento ... 87
34 Comportamiento del icorr para los especímenes elaborados con 35 mm de
recubrimiento ... 88
35 Seguimiento de la resistividad eléctrica de los distintos tipos de concreto en los especímenes de 23 mm de recubrimiento ... 91
36 Seguimiento de la resistividad eléctrica de los distintos tipos de concreto en los especímenes de 35 mm de recubrimiento ... 92
37 Relación de la pérdida de masa con la resistencia a la compresión del concreto, para el recubrimiento de a) 23 mm y b) 35m ... 97
xiii
38 Relación de la pérdida de masa con el porcentaje de porosidad abierta al agua del
concreto, para el recubrimiento de a) 23 mm y b) 35mm ... 99
39 Relación de la pérdida de masa con la resistividad eléctrica del concreto, medida antes del iniciar el proceso de corrosión acelerada ... 100
40 Comportamiento de la pérdida de masa necesaria para agrietar el recubrimiento de concreto con respecto a: a) Uso de la CV, b) Relación a/mc y c) Tiempo de curado ... 102
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla ... Página 1 Propiedades físicas de los ingredientes utilizados en la elaboración de las mezclas 45 2 Proporcionamiento de las mezclas de concreto ... 483 Distribución de especímenes por tipo de prueba ... 49
4 Criterio de valoración de potenciales de acero embebido en concreto para diferentes electrodos [Broomfield, 1997] ... 61
5 Criterio de evaluación de la velocidad de corrosión en campo y laboratorio [C.Andrade, 1996] ... 63
6 Composición química de los materiales cementantes ... 71
7 Composición química especificada de la ceniza volante de acuerdo con ASTM C 618 08 ... 72
8 Proporcionamiento de mezclas ... 73
9 Desarrollo de la resistencia a compresión de los concretos e índice de actividad de la resistencia ... 73
10 Evolución del módulo de elasticidad para los diferentes concretos elaborados... 75
11 Evolución de la permeabilidad a los iones cloro de los concretos elaborados ... 78
12 Pérdida de masa, obtenida mediante el método gravimétrico ... 95
13 Pérdida promedio de sección necesaria para generar el agrietamiento del recubrimiento, xcrit ... 95
14 Análisis de varianza, para los tres factores involucrados en la densificación de la matriz cementante, para un recubrimiento de a) 23 mm y b) 35 mm ... 104
xiv
RESUMEN
En esta investigación se presenta el estudio del efecto de la densificación de la matriz
cementante en el proceso de agrietamiento del recubrimiento de concreto por efecto
de la corrosión del acero de refuerzo. La densificación de la matriz se logró mediante
el empleo de dos relaciones agua-material cementante 0.45 y 0.60, el tiempo de
curado 1, 7, 28 y 56 días y el remplazo en masa de cemento (CPO) por ceniza volante
(CV) en 0, 10 y 20%. Para analizar las propiedades físicas y mecánicas del concreto se
elaboraron especímenes cilíndricos de 10 cm de diámetro por 20 cm de altura. El
proceso de corrosión se aceleró por medio de una corriente galvánica (densidad de
corriente de 50μA/cm2), para lo cual se emplearon especímenes de concreto
reforzado, mismos que permanecieron sumergidos durante la aplicación de la
corriente, en una solución de 30g/L de NaCl. Durante el proceso, el comportamiento
electroquímico del acero de refuerzo se monitoreó mediante las técnicas: potencial de
media celda y resistencia a la polarización lineal. Se determinó la resistividad eléctrica
del concreto mediante la espectroscopía de impedancia electroquímica, con el
objetivo de identificar el momento en el que se presenta el agrietamiento del
recubrimiento. Una vez agrietados los especímenes, se recuperó el acero y se
determinó la pérdida de masa que generó el agrietamiento superficial visible del
recubrimiento.
Para agrietar el recubrimiento de concreto de 23 mm de espesor se requirió una
pérdida de sección crítica (xcrit) que varia de 0.022 a 0.107 mm, mientras que para el
espesor de 35 mm se requirió de 0.050 - 0.100 mm. Los resultados obtenidos
muestran la tendencia de Δm a disminuir conforme se densifica la matriz cementante.
Mediante el análisis de varianza se determinó que el uso de la ceniza volante es el
factor que provoca una variación estadísticamente significativa en el porcentaje de
1
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES
1.1 El concreto como material de construcción.
Hoy en día, los dos materiales más empleados en la construcción de las
estructuras son el acero y concreto. En ocasiones se complementan para producir
estructuras de concreto reforzado o concreto presforzado y otras veces compiten entre
sí.
El concreto consiste en una mezcla de agregados pétreos graduados unidos con
una pasta de cemento y agua. Los agregados se clasifican por su tamaño en dos tipos:
finos y gruesos. Los agregados finos están constituidos por arenas, arcillas y limos que
pueden ser naturales o productos de trituración cuyas partículas tienen menos de 5
mm (¼ de pulgada). La pasta se compone de cemento, agua y a veces de aire incluido.
Generalmente esta pasta constituye del 25 al 40% del volumen total del concreto [PCA,
2004].
Este material ha alcanzado gran importancia como material estructural, ya que
puede adaptarse a una gran variedad de moldes adquiriendo formas complejas y de
varios tamaños debido a su consistencia plástica en estado fresco. Por su parte, en el
estado endurecido presenta buena resistencia mecánica, poca variación volumétrica,
baja conductividad térmica y resistencia a la penetración del agua, a los ataque
químicos y al desgaste, requiere poco mantenimiento cuando se fabrica
2
de sus características propician acciones que causan su degradación prematura
[Rasheeduzzafar, et al., 1984].
La resistencia mecánica del concreto se debe a las reacciones de hidratación del
cemento. En este proceso los componentes del cemento se cristalizan progresivamente
para formar gel o pasta el cual rodea los agregados, uniéndolos para producir un
conglomerado. Tanto la resistencia mecánica como la permeabilidad del concreto están
regidos por la relación a/mc (agua – material cementante), así cuanto más baja sea esa
relación, más alta es la resistencia y menor su permeabilidad.
Debido a sus excelentes propiedades físicas y económicas el concreto es sin duda
el material de construcción más difundido y de mayor uso, está implícito en toda
actividad de desarrollo de cualquier país y lo seguirá estando hasta que se desarrolle
otro material más versátil y económico [Neville, 1998]. Por otro lado, el acero tiene
excelentes propiedades mecánicas como son: elasticidad, ductilidad, maleabilidad,
resistencia, tenacidad, etc. El acero se emplea en el concreto como refuerzo, lo que da
por resultado un material compuesto que reúne las propiedades de ambos
componentes: el costo relativamente bajo, la buena resistencia al clima y al fuego, la
buena resistencia a la compresión, buen comportamiento a tensión, versatilidad,
simplicidad en su fabricación y diseño, durabilidad, bajo costo de mantenimiento y
mínimo consumo de energía [Rasheeduzzafar, et al., 1984]. Dichas cualidades le
permiten adecuarse a las exigencias particulares de cada obra y por lo tanto ser
empleado en todo tipo de aplicaciones, dándole gran popularidad a este material de
construcción.
1.2 La durabilidad de las estructuras de concreto reforzado.
El concreto elaborado con cemento pórtland es un material con una historia
relativamente reciente. Debido a su consistencia rígida, anteriormente se creía que
tenía una larga vida útil; sin embargo, los problemas que presentan un gran número de
3
estructuras de concreto con problemas, ante sus condiciones de servicio son
abundantes y de diferente naturaleza, estos se han tenido que explicar, enfrentar y
resolver desde diferentes puntos con el objetivo de diagnosticar problemas de
durabilidad y conocer los factores que en ella intervienen.
La durabilidad es una propiedad importante del concreto ya que es indispensable
que tenga la calidad y capacidad para resistir las condiciones de servicio. El ACI-201 la
define como: “la habilidad para resistir la acción del tiempo, ataque químico, abrasión o cualquier otro proceso de deterioro. Un concreto durable mantendrá su forma, calidad y condiciones de servicio originales, cuando se exponen a su ambiente”. Se evalúa “en función de su capacidad para resistir las acciones de deterioro derivadas de las condiciones de exposición y servicio a que está sometida” (ACI, sección Centro y sur de México). De la definición anterior queda claro que la durabilidad no es un concepto
que depende sólo del diseño de mezcla, sino que está en función del ambiente de
exposición y de las condiciones de servicio a las cuales estará sometida la estructura.
1.3 El proceso de deterioro de las estructuras de concreto reforzado.
Considerando el modelo de la figura 1, como factores determinantes de la
durabilidad de una estructura de concreto reforzado están: el diseño y el cálculo de la
estructura, los materiales empleados, las prácticas constructivas (colocación,
compactación, curado, etc.) y los procedimientos de protección.
Lo anterior, genera en la estructura la capacidad de resistir cargas de servicio y
deformaciones máximas permisibles; desarrolla una textura superficial para el
intercambio con el exterior (micro-clima); y también, permite obtener una estructura y
una microestructura del concreto, que a su vez definen la naturaleza y distribución de
4
Figura 1. Procesos y mecanismos que producen la pérdida de durabilidad del concreto y el acero. [Sánchez de Guzmán, 2006].
Si la capacidad estructural es rebasada, existirán deformaciones impuestas u otro
tipo de acciones mecánicas, invariablemente aparecerán microfisuras y/o macrofisuras,
consideradas como deterioro mecánico. Pero también, dependiendo del tipo, tamaño y
distribución de los poros y fisuras (microfisuras y macrofisuras), se presenta una
DURABILIDAD
DISEÑO Y CÁLCULO Forma Refuerzo
MATERIALES
Concreto Acero de refuerzo
Productos de protección
PROCESOS CONSTRUCTIVOS
Mano de obra Control de calidad
PROTECCIÓN Y CURADO Humedad Temperatura
Textura Superficial. Estructura y Microestructura Naturaleza y Distribución de Poros Capacidad
Resistente Deformación
MECANISMOS DE TRANSPORTE Microfisuras y
Macrofisuras
PROCESOS DE DETERIORO DEL CONCRETO PROCESOS DE DETERIORO DE LAS ARMADURAS
Mecánico Físico Químico Biológico Corrosión Ataque
de ácidos
COMPORTAMIENTO
Resistencia Rigidez Permeabilidad superficiales Condiciones
Seguridad Funcionalidad Hermeticidad Apariencia Aspecto /
5
determinada permeabilidad a través de la cual operan los mecanismos de transporte
de fluidos (agentes externos). Que ayudados a su vez por el efecto de la temperatura,
humedad y presión, permiten iniciar y propagar el deterioro del concreto por acciones
físicas, químicas, o biológicas, o del refuerzo por el fenómeno de corrosión.
Por lo tanto, el tipo, cantidad y magnitud de los procesos de degradación
(mecánico, físico, químico y/o biológico) del concreto y la configuración de las
armaduras de refuerzo, determinan a través del tiempo la resistencia, la rigidez y la
permeabilidad de los diferentes elementos que conforman la estructura. También,
otros factores como las condiciones superficiales de la estructura influyen en la
seguridad, funcionalidad, hermeticidad, aspecto y apariencia de la estructura. En
resumen, determina el comportamiento de la estructura y su vulnerabilidad.
1.4 Impacto económico.
A nivel mundial el concreto es el material más utilizado en la construcción, y a
menos que haya una revolución en los materiales de construcción, seguirá siéndolo por
algunas décadas más. Gran parte de la infraestructura de los países está elaborada con
este material, por lo que su conocimiento y tecnología son básicos para el ingeniero
civil encargado de alguna etapa del proceso constructivo [Hernández et. al, 2006]. En
los últimos años, los problemas relativos a la durabilidad en las estructuras de concreto
han tomado mayor importancia, lo anterior, en razón de la pérdida de inversión por el
deterioro, muchas de las veces prematuro [Rostam, 2005].
Los problemas de durabilidad han afectado diversos tipos de estructuras, las
cuales una vez que los presentan ya no son funcionales ni eficientes y están destinadas
a no cumplir con su vida de servicio estimada. Estos problemas no se limitan a su
diseño inicial y construcción, tienen una fuerte intervención en la operación,
ocasionando costos y pérdidas económicas para el propietario o inversionista, ya sea
por reparación de las zonas afectadas, por la sustitución de elementos que se han
6
periódicos. Tan sólo en Estados Unidos los problemas de durabilidad que afectaban las
estructuras de transporte intermodal tuvieron un costo de 20 billones de dólares en
1986 [Buffenbarger, 1998]. De acuerdo con un reporte de la OCDE el 40 % de los
puentes de concreto reforzado, se encontraban en 1976 [OECD, 1976] en un grado de
degradación inaceptable en los Estados Unidos. Entre las causas más comunes de
degradación examinadas, el reporte pone en evidencia que la corrosión del acero de
refuerzo en el concreto fue el problema más frecuentemente encontrado.
El proceso de corrosión en la actualidad es un problema de gran importancia, lo
cual ha motivado a estudios que evalúan el impacto que tiene en cada país. El
parámetro utilizado para evaluar este fenómeno es la pérdida económica expresada
como porcentaje del PIB (Producto Interno Bruto). En 1990 se realizó un estudio del
impacto que producen los costos económicos originados por la corrosión, el resultado
fue que entre el 2 y el 5% del PNB (Producto Nacional Bruto) de cada país se destina a
subsanar los problemas de corrosión [Baboian, 1990]. Según [Castro et al., 1995], entre
un 15 y 25% se pudo haber evitado si se hubiese aplicado la tecnología existente para
contrarrestarla. En el Reino Unido, un país desarrollado, el 40% de la inversión en
construcción se destina a la reparación y/o al mantenimiento, lo que representa
aproximadamente un 4% de su Producto Interno Bruto [Neville 2001]. Los últimos
estudios llevados a cabo sobre el impacto económico de la corrosión muestran
resultados alarmantes. De 1999 a 2001, Estados Unidos tuvo un total anual de costos
directos de aproximadamente 276 mil millones de dólares, algo así como 3.1% del PIB
de ese país. El ahorro que pueda lograr un país en 30 años por investigar y construir
ahora estructuras durables puede ser detonante fundamental en el futuro, dada la
escasez de materiales y recursos [Hernández et. Al, 2006].
En México se han realizado pocos estudios para estimar los gastos que
representan las pérdidas por corrosión. De acuerdo con [Ávila et al., 1986], se ha
7
Yucatán se realizó un estudio que indica que los costos por corrosión rebasan el 8% del
PIB estatal [Orozco, 1998].
1.5 El impacto ambiental del concreto.
El calentamiento global provocado principalmente por los gases de efecto
invernadero es uno de los temas de sustentabilidad más importantes hoy en día. En
una serie de informes publicados en el año 2007, el Grupo Intergubernamental de
Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, Intergovernmental Panel on Climate
Change), declaró que el calentamiento global ya está ocurriendo a un ritmo que podría
tener consecuencias devastadoras e irreversibles si no se toman medidas inmediatas.
La concentración promedio de CO2 en la atmósfera mundial en la actualidad es de 390
ppm, la más alta concentración registrada históricamente y crece de forma exponencial
[IPCC, 2007]. En consecuencia, el IPCC recomienda que la tasa anual de emisiones de
CO2 debe ser reducida al nivel de 1990 o menos en los próximos 20 años. Como
resultado, los gobiernos y los líderes de las principales industrias productoras de CO2,
tales como la generación de energía, transporte, refinación de petróleo, y la fabricación
de acero y concreto, están contemplando medidas decisivas para su aplicación a partir
del 2010 para lograr una reducción drástica en la tasa de emisiones globales de CO2
para el año 2030 [Mehta, 2009].
Es importante mencionar que la industria del cemento y del concreto, pilares
fundamentales de la industria de la construcción, se encuentran clasificadas dentro de
las categorías de energía y procesos industriales. El cemento pórtland no sólo es uno de
los materiales más usados en la construcción, es el responsable de una gran cantidad
de gases de efecto invernadero. El impacto más importante de la industria del cemento
en el medio ambiente son las emisiones de CO2 resultantes de la calcinación de las
materias primas y los combustibles fósiles utilizados en la producción del clinker [Uzal
et al., 2007]. De acuerdo con un informe completo [Metha et al., 2008], los cementos
8
tonelada de clinker se liberan 0.9 toneladas de CO2. Tan solo en el 2007 [CEMBUREAU,
2008] la industria concretera a nivel mundial consumió cerca de 3.05 billones de
toneladas de cemento (2.77 billones de toneladas de clinker) por lo que la huella de
carbono de esta industria es de proporciones considerables. Esto hace responsable a la
industria cementera del 7% de emisiones de CO2 en el mundo [Uzal et al., 2007].
La reducción del consumo de cemento ha sido una alternativa viable para reducir
el impacto ambiental generado por su fabricación y consecuente consumo. Dentro de
los esfuerzos realizados para combatir esta problemática, resalta el uso de materiales
cementantes complementarios tales como la ceniza volante, la escoria granulada de
alto horno, la puzolana natural o calcinada, el humo de sílice, y la ceniza de cáscara de
arroz. Esto ha resultado, no sólo en un producto amigable con el medio ambiente sino
que, también proporciona beneficios a las propiedades del concreto en estado fresco y
endurecido, tales como la mejora de la trabajabilidad, la reducción del calor de
hidratación, baja permeabilidad, alta resistencia final, y estabilidad volumétrica
[Papadakis, 2000]. En base a lo anterior, y gracias a los avances de la tecnología del
concreto, se ha demostrado que la adición de ceniza volante (CV) en mezclas de
concreto incrementa la resistencia a la corrosión del concreto reforzado [Saraswathy et
al., 2006; Saraswathy et al., 2003]. El mejor rendimiento de estas mezclas en
comparación con aquellas elaboradas sin CV se atribuye a la densificación de la matriz
cementante debido a la acción puzolánica entre las partículas de ceniza volante y el
hidróxido de calcio liberado como resultado de la hidratación del cemento.
1.6 El concreto como protector del acero.
Las condiciones de servicio a las cuales está expuesto el concreto, en algunos
casos, pueden llevar al debilitamiento de la estructura y al deterioro potencial por
corrosión de las varillas de acero de refuerzo, causando agrietamientos y fallas en el
concreto circundante. Las condiciones de exposición que generan los daños más
9
por ataque de sulfatos, exposición al agua de mar, ataque ácido, carbonatación,
abrasión y reacciones químicas.
Un material refinado como el acero tiene una tendencia natural a corroerse y así
regresar al estado estable como mineral de hierro (generalmente óxido de hierro
Fe2O3) como se encuentra en la naturaleza. La rapidez con la que se lleva a cabo el
proceso de corrosión del acero depende de su composición, la estructura de grano y la
presencia de esfuerzo producto de la fabricación. Sin embargo, la naturaleza del
entorno, como la disponibilidad de agua, oxígeno, especies iónicas agresivas, el pH y la
temperatura se han presentado como los factores de mayor influencia en el proceso.
No obstante, el concreto le confiere al acero de refuerzo una doble protección:
por un lado, el recubrimiento es una barrera física que separa la armadura del medio
que lo rodea, y por otro lado, en la interface acero-concreto se crea una pequeña capa
pasivante (30 Å o menos de espesor) de óxido que se forma y mantiene en la superficie
del acero como producto de la alta alcalinidad de la matriz cementante que lo rodea
(12.5 < pH < 13.5) [Montemor, 2000]. Por consiguiente, el acero permanecerá en
estado pasivo mientras las condiciones que rodean y preservan esta capa no sean
modificadas.
1.6.1 Naturaleza alcalina del concreto.
El ambiente altamente alcalino del concreto es generado principalmente por el
hidróxido de calcio [Ca(OH)2] que se forma durante la hidratación de los silicatos del
cemento y los álcalis (Na2O y K2O) propios de la composición química del cemento. Esto
genera un pH en el concreto recién mezclado de entre 12 y 13, en estas condiciones y
con la presencia de oxígeno, el acero se encuentra en un estado conocido como pasivo
[Garcés et al. ,2008]. Esta alta alcalinidad significa una abundancia de iones hidroxilo
OH- los cuales por tener una alta adsorbabilidad en la superficie metálica modifican el proceso de oxidación, en los sitios anódicos, de manera tal que la liberación de iones
10
oxihidróxidos, es decir el metal no se transforma a una especie soluble, sino a un
producto de corrosión sólido no soluble y además de carácter protector [Pérez, 2005].
Esta protección química tiene su fundamento en los estados termodinámicos del
hierro en agua que han sido estudiados ampliamente [Pourbaix, 1987], y son
presentados en el diagrama de pH-potencial de la figura 2.
Figura 2. Diagrama de pH-Potencial a) simplificado del hierro en contacto con agua y b) mostrando regiones termodinámicamente estables del diagrama [Pourbaix, 1987].
En el diagrama de la figura 2 se puede observar la relación que existe entre el
potencial del acero y el pH del medio en el que se encuentra. Así, por ejemplo, si el
concreto pierde su alcalinidad desde la colocación (por la inadecuada selección o por la
utilización de materiales contaminados) puede activar inmediatamente el proceso de
corrosión del acero de refuerzo.
Existen factores desencadenantes que pueden generar la pérdida de la pasividad
de las armaduras los cuales pueden clasificarse en dos grandes mecanismos:
a) La carbonatación, genera una disminución del pH del concreto debido a la
reacción del CO2 atmosférico con las sustancias alcalinas de la solución de poro y los
productos de hidratación de la pasta cementante. Cuando la penetración de la
carbonatación en el concreto resulta similar al recubrimiento con pH < 9.5 (aunque no
existe acuerdo respecto de este umbral), el acero de refuerzo tienden a perder su capa
11
b) La presencia de iones despasivantes, fundamentalmente cloruros, que
superan el umbral crítico necesario para romper localmente la capa pasiva.
Una vez que la capa pasiva de la interface acero-concreto se ve afectada, se dice
que están dadas las condiciones para que se produzca la corrosión [Castro, 2001].
La corrosión del acero de refuerzo, ya sea por carbonatación o por el ingreso de
cloruros, es reconocido como el mayor problema en el mantenimiento de la integridad
estructural de los elementos de concreto reforzado [Montemor et al., 2002; Basheer et
al., 1996].
1.7 La corrosión del acero.
La corrosión del acero de refuerzo en el concreto es un proceso electroquímico
que causa su disolución para formar una amplia gama de productos sólidos. Los
productos de corrosión son una mezcla compleja de óxidos e hidróxidos que
evolucionan de acuerdo a las condiciones del medio ambiente local [Bentur et al, 1997;
David et al., 2007].
La reacción de oxidación del hierro en la región anódica, se da de acuerdo con la
ecuación (1):
→ ….. (1)
Al ocurrir la reacción de oxidación el Fe libera dos electrones (2e-) que son consumidos en otra parte de la superficie del acero para mantener la neutralidad
eléctrica, la reacción catódica, en la cual se consume agua y oxígeno, esta se indica en
la ecuación (2):
12
La reacción anódica y catódica son solo los primeros pasos en la formación de la
herrumbre, varias etapas más deben ocurrir para formarla:
Hidróxido ferroso → ( ) ….. (3)
Hidróxido férrico ( ) → ( ) ….. (4)
Óxido férrico hidratado (herrumbre) ( ) → ….. (5)
El óxido férrico no hidratado, tiene un volumen de aproximadamente el
doble del acero, cuando se hidrata su volumen aumenta y se vuelve poroso. Esto
significa que el aumento de volumen en la interface acero-concreto, dependiendo del
grado de oxidación puede ser de hasta 6.5 veces el volumen inicial del acero [Mehta et
al., 1997]. Esto lleva a la formación de manchas en la superficie del concreto, grietas y
desprendimiento como consecuencia de la corrosión del acero de refuerzo.
1.8 Lacorrosión en presencia de cloruros.
Una vez que han llegado a la barra de refuerzo en cantidad suficiente, los cloruros
destruyen la pasividad natural del refuerzo provocando su corrosión. Todavía se discute
el mecanismo por el cual estos iones destruyen la pasividad, se han propuesto varias
teorías, entre ellas, la de la "formación del compuesto". Esta teoría plantea que los
cloruros libres forman un compuesto soluble con los iones de fierro, de acuerdo con la
ecuación (6):
→ …… (6)
y que éstos a su vez, difunden hacia otra zona alejada del ánodo, donde el pH y la
concentración de oxígeno disuelto son altos. En consecuencia, el compuesto se disocia
precipitando el hidróxido de fierro y liberando los iones cloruro:
→ ( ) ... (7)
Debido a que los cloruros no se agotan en este proceso y la corrosión no se
13
continuar por sí mismo, emigrando los iones de fierro desde el acero y reaccionando
con el oxígeno para formar óxidos o hidróxidos. Por lo tanto, en vez de que la corrosión
se propague a lo largo del acero de refuerzo, continúa en las zonas anódicas,
desarrollándose picaduras profundas en el acero [Castro, et al. 2001].
En la figura 3 se muestra un esquema del mecanismo de corrosión del acero de
refuerzo en el concreto debido al rompimiento de la capa pasivante por efecto de los
iones cloruro.
Figura 3. Mecanismo de corrosión por picaduras debido a los cloruros [Castro, et al. 2001].
La relación elevada de las superficies catódica/anódica genera densidades de
corriente de corrosión localmente muy elevadas. En las áreas catódicas la producción
de iones OH- aumenta el pH lo que reduce las posibilidades de ataques posteriores
sobre estas superficies. Ahora bien, la formación de productos de reacción intermedios
que contienen cloruros, disminuye temporalmente la concentración de esta especie y
la aportación de iones OH- tiende a repasivar las zonas atacadas. La reserva en
alcalinidad de la disolución intersticial repasiva estas zonas y limita la propagación de la
corrosión. Si la aportación en cloruros se mantiene, esta concentración aumenta en las
áreas anódicas puesto que se distribuye gracias a las corrientes de corrosión sobre toda
14
crean nuevos ánodos que terminan por generar grandes zonas corroídas. Es cierto, por
tanto, que la corrosión será más elevada cuando la cantidad de cloruros disponibles a
nivel de la armadura sea de una concentración relativamente alta.
1.9 El agrietamiento del concreto por efecto de los productos de corrosión del
acero de refuerzo.
Una vez que la capa pasivante es dañada el proceso de corrosión ha comenzado.
En las áreas sin protección el acero comienza a disolverse, las áreas despasivadas
crecen y la cantidad de productos de corrosión incrementa. Conforme este proceso
avanza, el radio del acero disminuye (penetración de la corrosión) y los productos de
corrosión tienden a acumularse en la interface acero-concreto. Solo una pequeña
cantidad de corrosión es necesaria para generar grietas visibles en la superficie del
concreto [Wong et al., 2010].
En la figura 4 se muestra un diagrama esquemático de las cuatro etapas del
proceso de agrietamiento del recubrimiento de concreto por corrosión del acero de
refuerzo.
Figura 4. Proceso de agrietamiento del recubrimiento por corrosión del acero de refuerzo.
Productos de corrosión
Interface porosa
Concreto Acero de
refuerzo
I ) Inicio de la corrosión II ) Expansión libre
III ) Esfuerzos de tensión por corrosión
IV ) Agrietamiento del recubrimiento
15
Figura 5. Volumen relativo del acero y sus productos de corrosión [Shahzma et al., 2009].
La primera etapa, l) comprende el inicio de la corrosión ya sea por carbonatación
o por ataque de cloruros. Una vez que se ha roto la capa pasiva comienza la corrosión
del acero; dependiendo de su nivel de oxidación y de las condiciones como el pH de la
solución, la disponibilidad de oxígeno y el contenido de humedad, los diferentes
productos de corrosión tienen diferentes densidades y volúmenes que van desde 2
hasta 7 veces mayor que el del metal original, como se muestra en la figura 5 [ACI
Committee 222; Broomfield, 2007]. Sin embargo, no todos los productos de corrosión
generan presión en el concreto circundante debido a que algunos de ellos llenan los
vacíos de la interface acero-concreto o pueden migrar fuera de dicha interface a través
del sistema de poros [Liu et al., 1998; Andrade et al, 1993]. Debido a ello, a la etapa II
se le denomina “expansión libre”. El volumen del espacio libre está directamente
relacionado con el área del acero de refuerzo, la relación a/mc, el grado de hidratación
del cemento y el grado de consolidación del concreto. Una vez que estos poros se
saturan, da inicio la etapa III con la formación de estos productos que comienzan a
generar presión expansiva, la cual aumenta al incrementarse la acumulación de dichos
productos. Una vez que el esfuerzo interno generado supera el esfuerzo de tensión del
0 1 2 3 4 5 6 7
Hidróxido férrico Hidróxido ferroso Akaganeíta Lepidocrocita Geotita Feroxihita Maghemita Hematita Magnetita Wüstite Hierro puro
Fe O Fe3 O4
α - Fe2 O3
γ - Fe2 O3
δ - FeOOH α - FeOOH
γ - FeOOH β - FeOOH
Fe(OH)2
Fe(OH)3
Fe2O3 - 3H2O
α - Fe
16
concreto, posibilita el agrietamiento, desprendimiento o delaminación del
recubrimiento, característicos de la etapa IV) [Liu et al., 1998; Gonzáles et. al, 1996].
1.10 Naturaleza porosa del concreto.
El concreto endurecido está constituido por los agregados, considerados como el
esqueleto, y la pasta de cemento, que representa el aglutinante que los mantiene
unidos. De estas dos fases la que tiene mayor importancia desde el punto de vista
electroquímico es la pasta de cemento ya que es la que posee la naturaleza porosa. Los
agregados se consideran hasta cierto punto impermeables y con una resistividad
infinita (no conductores), por lo tanto, los procesos de transporte de carga y de masa
en el concreto se llevan a cabo en la pasta de cemento primordialmente, y no a través
de los agregados [Monfore, 1968; Whittington et al., 1981].
La pasta de cemento posee poros de diferentes tamaños, tal como lo muestra la
figura 6, que se pueden clasificar como poros de gel (0.2 nm), propios del crecimiento
del gel C-S-H (Silicato de Calcio Hidratado), poros capilares con un tamaño que varía
desde 50 nm hasta 1 μm [Kitowski et al., 1997] y huecos (> 10 μm) debidos a la mala
compactación del concreto. La mayoría de estos poros son importantes, sin embargo
desde el punto de vista de la corrosión, los poros capilares es donde se llevan a cabo los
principales fenómenos de transferencia.
17
La cantidad de estos poros está relacionada con la relación a/mc. El máximo de
agua que se combina químicamente con el cemento en las reacciones de hidratación
no es mayor que 0.24 veces su peso, [Maruya, 2003] pero usualmente se usa más agua
en la dosificación de concretos para alcanzar la trabajabilidad deseada en la mezcla. Al
final de la hidratación del cemento los precipitados o fases sólidas producidas no son
suficientes para rellenar los espacios que ocupaba el agua extra cuando ésta se
evapora, quedando por lo tanto una red de huecos o estructura porosa.
La inherente porosidad del concreto es un factor crítico en la corrosión del acero
de refuerzo, pero en realidad no es la porosidad sino el contenido de humedad dentro
de los poros el factor desencadenante de la degradación del acero, ya que representa
el electrolito necesario para el proceso de corrosión, y en muchos casos el medio a
través del cual se transportan las sustancias agresivas como los iones Cl- y el CO2.
1.11 Medidas de protección contra la corrosión del acero de refuerzo.
Básicamente los métodos que existen para controlar la corrosión intentan
interferir con el mecanismo de la corrosión, de tal manera que se pueda hacer que éste
sea lo más ineficiente posible. Dado que para que exista el proceso de corrosión, debe
formarse una pila o celda de corrosión y, por tanto, un ánodo (donde ocurre la reacción
de oxidación), un cátodo (donde ocurre la reducción), un conductor eléctrico (une al
cátodo y al ánodo) y un conductor iónico (medio conductor que los pone en contacto
electrolítico), además de una diferencia de potencial entre los electrodos o zonas
anódicas y catódicas, la eliminación de alguno de los componentes esenciales de la
mencionada pila, podría llegar a detener el proceso.
Diversos métodos se han utilizado para proteger al concreto reforzado de la
corrosión. Es posible englobar los métodos utilizados para prevenir la corrosión dentro
de dos grupos: protección indirecta (a través del concreto) y la protección directa
(sobre el acero). El primero consiste en controlar la calidad de los materiales
18
pinturas, revestimiento del acero y recubrimientos sobre el concreto, con protección
catódica, agregando inhibidores de corrosión, removiendo los iones cloros y
realcalinizando el concreto [DURAR, 1998; González et al., 2001].
En estructuras nuevas, el uso de un buen concreto sería la mejor solución, ya que
no existe mejor protección del acero de refuerzo que la película pasivante formada por
la hidratación del cemento.
La humedad juega un papel significativo en la mayoría de las reacciones químicas
en el concreto y en partes de los procesos físicos y químicos en varios fenómenos de
deterioro. Las diferencias en las condiciones de humedad entre el sistema de poros y el
microclima circundante causarán un flujo de humedad hacia dentro y fuera del
concreto. Sin embargo, la velocidad de corrosión, y su consecuente tasa de deterioro,
estará fuertemente influenciada por la disponibilidad de oxígeno y humedad.
Como se mencionó anteriormente, el concreto es un material poroso, pero con la
selección de los materiales adecuados, su correcto proporcionamiento y curado, la red
capilar de poros puede ser reducida, volviendo a los poros discontinuos y como
consecuencia, se reduce la taza de ingreso de agentes agresivos [Hooton, 2010]. Varias
de las formas de deterioro de las estructuras de concreto reforzado resultan del
ingreso de agua o iones disueltos en agua, así que la reducción de la taza de
movimiento de estos fluidos a través del sistema de poros capilares es de suma
importancia. El índice de absorción, permeabilidad y difusión será reducido si el
volumen de poros capilares es reducido.
Una baja permeabilidad limitará los mecanismos de transporte de agentes
nocivos. Para lograr esto, existen ciertos parámetros que pueden ser modificados en el
diseño de la mezcla:
Disminución de la relación agua/cemento, Tipo de cemento,
19 Contenido de cemento,
Uso de materiales cementantes complementarios y Granulometría del agregado.
A través de varias investigaciones relacionadas con el uso de materiales
cementantes complementarios, se ha encontrado que tienen una influencia mayor en
todos los aspectos de durabilidad relacionada con el transporte de agentes agresivos
en el concreto. El empleo de estos materiales ha demostrado la prolongación del
periodo de iniciación de la corrosión, y por ende, de la durabilidad de las estructuras de
concreto, además de reducir los costos de producción [Montemor et al., 2002; Pacheco
et al., 2009]. Una de las razones de este comportamiento es que éstos materiales
suelen ser más finos que el cemento y disminuyen la permeabilidad del concreto al
ocupar espacios donde originalmente quedaban vacíos.
La razón inicial del uso de los materiales cementantes complementarios fue su
influencia en la rapidez de desarrollo de calor y de la resistencia mecánica, además de
la resistencia al ataque químico, debido a la naturaleza química de la pasta de cemento
hidratado y de su estructura. Estos materiales son empleados en el concreto para el
mejoramiento de su desempeño en estado fresco y endurecido, mejoran la
trabajabilidad, la durabilidad, estabilidad volumétrica y la resistencia [Papadakis, 2000].
La American Society for Testing and Materials (ASTM C 618-89) define a una
puzolana como un material silíceo o silíceo-aluminoso que por sí solo posee poco o
nulo valor cementante, pero que en presencia de humedad reacciona químicamente
con el hidróxido de calcio [Ca(OH)2], generado durante la hidratación del cemento, para
formar compuestos con propiedades cementicias. En la figura 7 se muestra la
20
Figura 7. Clasificación de los materiales puzolánicos.
La ceniza volante está constituida de pequeñas partículas atrapadas por los
sistemas colectores de polvos de las plantas productoras de energía eléctrica que
queman carbón como materia prima. Dichas cenizas pueden tener diferentes fases
minerales y composiciones químicas, porque están íntimamente relacionadas con el
tipo y la cantidad de impurezas contenidas en el carbón utilizado en las plantas
productoras de energía. El carbón de la misma fuente y usado en la misma planta,
producirá en teoría el mismo tipo de ceniza volante, pero debido al proceso industrial
empleado, la ceniza volante de una misma planta puede variar en su composición
química.
Las cenizas volantes pueden tener formas muy diferentes entre ellas. Pueden
aparecer como partículas esféricas sencillas, con una distribución de tamaños similar a
la del cemento pórtland, o pueden contener algunas cenoesferas, esferas con agujeros
o plenoesferas. En algunos casos pueden contener partículas de forma angular.
Desde el punto de vista químico, las diferentes cenizas volantes disponibles
pueden ser clasificadas en familias; por ejemplo, ASTM reconoce dos tipos de ceniza
21
usualmente producida en plantas de energía donde se quema antracita o extracto de
carbón sub-bituminoso, por ejemplo en la parte Este de los Estados Unidos. Por otro
lado, la ceniza volante clase C es la que se produce en la quema de lignita o carbón de
forma bituminosa, por ejemplo en el Sur y Oeste de los Estados Unidos. Las cenizas
clase C se caracterizan por contener un alto contenido de calcio (>10%).
En el noreste de México existen diversas puzolanas artificiales como: la escoria
granulada de alto horno, la ceniza volante y subproductos calcáreos de la industria
química que contienen anhidrita y cales de baja pureza. Pero solo la ceniza volante, es
la que se encuentra con mayor disponibilidad y accesibilidad económica, la cual se
genera en las centrales carboeléctricas José López Portillo “Carbón I” y la “Carbón II”
ubicadas en Nava, Coahuila. La primera de ellas, tiene una producción anual de 3
millones de toneladas y cuenta con 30 millones de toneladas que se encuentran
almacenadas en bancos. De esta manera, si se contabiliza la ceniza producida por las
dos centrales, se puede imaginar la cantidad potencialmente disponible de este
subproducto. El costo de utilización de esta puzolana se debe principalmente al
transporte, ya que se considera un subproducto industrial, por lo que su precio por
tonelada es aproximadamente 30% menor en comparación al del cemento pórtland.
El uso de ceniza volante como remplazo del material cementante se ha vuelto
una práctica común en los últimos años. La ceniza volante se ha usado en el concreto
por razones económicas y ambientales. Además, la sílice amorfa contenida en la ceniza
reaccionan con el hidróxido de calcio, formando productos de hidratación (C-S-H
silicato de calcio hidratado, de sus siglas en inglés) [Neville, 1998] los cuales decrecen la
porosidad del concreto [Choi et al, 2006; Montemor 2002, Khunthongkeaw 2006].
Conjuntamente la capacidad de la ceniza de llenar parcialmente los vacíos y poros
presentes en la matriz cementante; permite crear sitios de nucleación y una vez que
ésta reacciona, el tamaño de poro se reduce, disminuyendo así la permeabilidad y la
22
1.11.1 Uso de la ceniza volante en el concreto.
La ceniza volante generada durante la combustión de carbón para la producción
de energía, es un subproducto industrial que se reconoce como un contaminante
ambiental. Debido a los problemas ambientales generados por la disposición de este
sub-producto, se han realizado alrededor del mundo numerosas investigaciones sobre
su utilización.
Desde que en la década de 1920 se incrementara la quema de carbón para la
generación de energía, se han generado millones de toneladas de ceniza. La producción
anual de subproductos generados de la quema de carbón a nivel mundial se estima
alrededor de 600 millones de toneladas, de las cuales del 75 – 80% son constituidos por
ceniza volante (aproximadamente 500 millones de toneladas) [Joshi, 1997]. Así, la
cantidad de residuos de carbón (ceniza volante), generada por fábricas y centrales
térmicas se ha incrementado a lo largo del mundo, por lo que la disposición de estas
grandes cantidades de cenizas se ha vuelto un grave problema ambiental.
La utilización actual de la ceniza en el mundo varía mucho, de un mínimo de 3% a
un máximo del 57%, sin embargo, en promedio mundialmente sólo el 16% del total de
cenizas se emplea dentro de otra industria [Joshi et al., 1997].
En la India, donde 565 minas son operadas por Coal India y otras filiales, el carbón
es el combustible dominante. En el 2003 la producción de hulla en este país fue de
358.4 millones de toneladas, mientras que se consumieron 407.33 millones de
toneladas. La India es el sexto consumidor y generador de energía a nivel mundial. La
ceniza volante se puede considerar como la quinta materia prima más abundante a
nivel mundial [Mukherjee et al., 2008]. En este país se estima que el 25% de la ceniza se
usa en la producción de cemento, construcción de carreteras y la fabricación de
ladrillos [Bhattacharjee et al., 2002]. Para el periodo del 2009–2010 se estimó que el
23
A nivel mundial se han realizado numerosas investigaciones encaminadas al uso
de este sub-producto; algunas de ellas enfocadas al empleo como materia prima en la
fabricación de nuevos productos, siendo una alternativa económicamente viable para
la disposición de este material. La no utilización de este sub-producto representa un
desperdicio de recursos, ya que puede formar parte de la materia prima de otras
industrias y causar problemas medio-ambientales.
Existen múltiples usos de estos materiales como: relleno de pavimentos,
puzolana para la estabilización del suelo, rellenos de tierras, acondicionador para la
agricultura, auxiliar para la fabricación de lodos industriales por vacío, conglomerantes
para el tratamiento de aguas industriales, entre los más importantes. Con un gran éxito
en el campo de los cementantes hidráulicos y en general en los de materiales de
construcción (cementos, ladrillos comunes, agregados ligeros, prefabricados de
concreto, etc.) [García, 2003]. El aprovechamiento de sus propiedades puzolánicas,
incorporándolos como componentes del concreto, ya sea a través del cemento
pórtland con adiciones, o bien, directamente como adición mineral en el concreto,
representa una aplicación de gran valor.
La Asociación Europea para el Uso de Subproductos procedentes de Centrales
Térmicas (ECOBA, European Coal Combustion Products Association, de sus siglas en
ingles), estimó para el año 2004 los productos procedentes de la combustión de carbón
(CCPs, Coal Combustion Products), que incluyen cenizas volantes, ceniza de fondo,
escoria de la caldera, y otros, se tuvo una generación de 63.8 millones de toneladas, de
las cuales las cenizas volantes corresponden al 68% equivalente a 43.5 millones de
toneladas, de estas solo un 51% fue utilizada.
La American Coal Ash Association (ACAA) estimó en el 2006 que en los EE.UU. la
generación de CCP fue de 124.8 millones de toneladas anuales. De las cuales, 72.4
millones fueron cenizas volantes, lo que representa un 58% de la producción total y
24
total. De la cantidad total de cenizas volantes generadas solo un 44.8% equivalente a
32.4 millones de toneladas fue usada y un 45% de cenizas de fondo producidas fueron
utilizadas equivalente a 8.3 millones de toneladas (ACAA, 2007).
En Canadá, la Association of Canadian Industries Recycling Coal Ash (CIRCA,
Canadian Industries Recycling Coal Ash, de sus siglas en ingles), registró una producción
de 6.8 millones de toneladas de CCPs en el año 2004, dentro de las cuales las cenizas
volantes ocupan un 69% del volumen total, equivalente a 4.7 millones de toneladas.
Las cenizas de fondo ocupan un 23.3% equivalente a 1.6 millones de toneladas anuales.
(CIRCA, 2004).
En la figura 8 se muestra la producción total de cenizas volantes y la reutilización
de estas en cemento y concreto producidas en Europa y Norteamérica.
Figura 8. Producción y empleo de cenizas volantes [ECOBA, 2004; ACAA, 2007; CIRCA, 2004].
Del total de cenizas volantes producidas en Europa solo un 44% es empleado en
cemento y concreto, de igual forma en Estados Unidos las cenizas volantes empleadas
en cemento y concreto corresponden al 21.5% y finalmente en Canadá solo se reutiliza
un 26%.
43,500,000
72,400,000
4,700,000 19,191,563
15,582,000
1,212,000
0 10,000,000 20,000,000 30,000,000 40,000,000 50,000,000 60,000,000 70,000,000 80,000,000
ECOBA ACAA CIRCA
To
n
e
lad
as
Producción total y empleo en cemento y concreto de cenizas volantes
Producción
25
Ya que las puzolanas naturales y los subproductos industriales tienen, en general,
costos más bajos que el cemento pórtland, la utilización de mezclas minerales
puzolánicas y cementantes para remplazar parcialmente al clinker, puede originar
beneficios económicos considerables debido al ahorro energético que supone sustituir
un material (clinker) que requiere un alto consumo de energía (3000 kJ/kg clinker) por
un subproducto.
1.11.2 Beneficios del uso de la ceniza en el concreto.
La necesidad de extender la durabilidad del concreto, ha propiciado el uso de
aditivos y modificaciones a la composición del concreto. La adición de CV como aditivo
se ha vuelto una práctica común en los últimos años [Montemor et al., 2002].
La mejora en las características de permeabilidad en concretos adicionados con
ceniza volante se debe a la reacción de hidratación principal, la cual en sistemas a base
de cemento pórtland ordinario suele ser:
2(3CaO . SiO2) + 6H2O → 3CaO . 2SiO2 . 3H2O + 3Ca(OH)2….. (8)
Pero en sistemas con CV se presenta una reacción de hidratación secundaria:
3Ca(OH)2 + 2SiO2 + H2O → 3CaO . 2SiO2 . 3H2O….. (9)
En concretos con CV, el contenido de hidróxido de calcio [Ca(OH)2] tiende a
disminuir debido a la reacción secundaria de hidratación. Durante la hidratación en
concretos con CPO se produce cal, pero en concretos con CV se consume cal. Esta es la
principal ventaja del uso de CV [Ha et al., 2005].
Las principales fases producidas a temperatura ambiente durante la reacción
puzolánica son: CSH, C2ASH (silico-aluminato de calcio hidratado) y C4AH (aluminato
tetra cálcico hidratado). Estos productos secundarios llenan los vacíos capilares, lo que
26
resistividad del concreto y una consecuente disminución de los coeficientes de difusión
de algunas especies como el oxígeno y los iones cloro [Montemor et al., 2002].
1.12 Vida útil de las estructuras de concreto reforzado.
El desempeño del concreto generalmente es juzgado por su resistencia mecánica
y sus propiedades de durabilidad. Como se mencionó anteriormente, el problema más
importante de durabilidad del concreto armado es el deterioro debido a la corrosión
del acero de refuerzo.
En el entorno alcalino de la pasta cementante se forma sobre la superficie del
acero una película de óxido estable que lo protege de la corrosión. Sin embargo, la
corrosión puede iniciar debido a la carbonatación del concreto dando lugar a la
reducción de la alcalinidad o por la presencia de iones cloro que causan daños por
picadura en esta película protectora. Conforme los productos de corrosión
incrementan su volumen se generan presiones internas que inducen grietas,
desprendimientos o delaminaciones del recubrimiento. Este daño provoca la reducción
o pérdida de las características de funcionalidad, seguridad y vida de servicio de las
estructuras [Weyers, 1998].
Siguiendo el enfoque propuesto por Tuutti [Tuutti, 1982], el proceso de corrosión
del acero de refuerzo puede ser dividido en dos etapas: el periodo de iniciación
(despasivación), durante el cual los agentes externos, iones cloro o dióxido de carbono,
penetran el recubrimiento, pero su concentración alrededor del acero aún no es
suficiente para causar la corrosión de éste. El final de este período y principio del
período de propagación es el momento en el que se alcanza el umbral de
concentración de las especies agresivas y se produce la despasivación, dando inicio a la
corrosión. Durante el periodo de propagación el deterioro de las estructuras aparece
como resultado de la pérdida de sección del acero de refuerzo. Esta segunda etapa
termina cuando se presenta un grado inaceptable de deterioro. La figura 9 muestra una
27
Figura 9. Modelo de vida útil para estructuras de concreto relacionada con la corrosión del acero de refuerzo [Zhou et al., 2005].
El manual DURAR [DURAR, 1997] propone una definición clara para el concepto
de vida útil de una estructura: “periodo en el que la estructura conserva los requisitos
del proyecto sobre seguridad, funcionalidad y estética, sin costos inesperados de
mantenimiento”. Es decir, si la estructura careciera de cualquiera de estas tres
propiedades (seguridad, funcionalidad y estética), ésta ya sobrepasó el período de su
vida útil.
Así mismo, el comité ACI 365 define la vida útil de las estructuras como: “el
periodo de tiempo después de la instalación, en el cual, el desempeño de la estructura
cumple con los valores mínimos de mantenimiento”.
Una de las definiciones de vida útil más aceptada es la establecida por la ASTM E
632, menciona que la vida útil es "el período de tiempo después de la construcción
durante el cual todas las propiedades esenciales alcanzan o superan el valor mínimo
aceptable con un mantenimiento rutinario''.
La condición que define el fin de la vida útil puede ser una reducción de la
capacidad estructural, la seguridad estructural o algún otro parámetro como la
estética. Consecuentemente el fin de la vida útil depende del tipo de estructura. Por
ejemplo, la reducción del 20% de la capacidad estructural puede ser aceptable para un
Periodo de iniciación Período de propagación Ingreso de agentes
agresivos
Despasivación Agrietamiento longitudinal
Desprendimiento / Delaminación
Falla
